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时间:2020-07-13
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1、.数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF轶群 sun.yiqunnationz..cn国民技术股份NationzTechnologiesInc摘要 本文从CMOS电路功耗原理入手,针对不同工艺尺寸下数字集成电路的低功耗物理实现方法进行描述,并着重描述了SynopsysUPF(UnifiedPowerFormat)对低功耗设计的描述方法。UPF是Synopsys公司提出的一种对芯片中电源域设计进行约束的文件格式。通过与UPF格式匹配的Liberty文件,UPF约束文件可以被整套Galaxy物理实现平台的任何一个环节
2、直接使用,并将设计者的电源设计约束传递给设计工具,由工具完成设计的实现工作,从而实现整套数字集成电路低功耗物理实现的流程。1.0 概述本文从数字集成电路低功耗设计原理下手,对设计中低功耗的实现技术进行描述,包括完成低功耗设计需要的库资料以及常用EDA工具对低功耗技术实现的方法。2.0 CMOS电路的低功耗设计原理CMOS电路功耗主要分3种,静态功耗主要与工艺以及电路结构相关,短路电流功耗主要与驱动电压、p-MOS和n-MOS同时打开时产生的最大电流、翻转频率以及上升、下降时间有关,开关电流功耗主要与负载电容、驱动
3、电压、翻转频率有关。做低功耗设计,就必须从这些影响功耗的因素下手。3.0 低功耗设计手段及Library需求低功耗的设计手段较为复杂,但对于不同的设计,或者不同的工艺,实现的方法却各不相同。3.1 0.18um及以上工艺0.18um及以上工艺,在低功耗设计手段上较为有限,主要原因在于,静态功耗很小,基本不用关心。动态功耗方面,主要的功耗来自于SwitchingPower,即与负载电容、电压以及工作中的信号翻转频率相关。减小负载电容,就必须在设计上下功夫,减少电路规模。减少信号翻转频率,除了降低时钟频率外,只有
4、在设计上考虑,能不翻转的信号就不翻转。至于电压,由于0.18um及以上工艺的阈值电压有一定的限制,因此,供电电压降低,势必影响工作频率。一般说来,在0.18um工艺下设计电路,主要有以下几种对低功耗设计的考虑。3.1.1 静态功耗可以忽略 根据现有项目经验可知,利用0.18um工艺StandardCell设计出来的某芯片,数字逻辑加上Ram和Rom约40万门的电路,在完全静止的状态下,功耗约200uA左右(实测数据为400uA左右,包括了50uAFlash,30uA的PHY,113uA的VR,其他模拟部分
5、漏电不大,因此这里估算为200uA)。这样的功耗,我们是可以接受的。如果非要减少静态功耗,则可以参照90nm工艺的设计思路,专门设计高阈值电压的MOSFET,或者专门设计切断电源所需的元件,但由此带来设计的复杂性,对0.18um工艺的影响还是很大的。如果设计规模没有那么大,且可以满足应用,往往还是可以忽略这个结果的。3.1.2 时钟门控减小不必要的动态功耗 在寄存器的电路设计中,时钟输入端都会有一个反向器负载,就算输入端不发生变化,时钟的变化也会造成该反向器的变化,由此产生动态功耗。因此在如果该寄存器输
6、入在某种条件下等于输出(即输出保持)时,可以将时钟门控住,以减少无效的时钟翻转。时钟门控的实现原理如下图所示:..图31时钟门控原理图如上图所示,由于现在的设计方式,大多数是同步设计,设计人员只考虑数据路径,时钟往往是不做处理的。因此如果要实现门控,只需要在设计电路时提供可以识别的控制信号,在综合的时候,EDA工具就可以自动插入时钟门控。利用DesignCompiler进行时钟门控单元插入,在读入设计以及时序约束后,需要做以下设置:1. set_clock_gating_style,设置时钟门控单元插入的约束2
7、. insert_clock_gating–global,开始插入时钟门控单元;3. uniquify,将所有时钟门控单元做uniquify操作,以便后续PR4. hookup_testports-se_portATPGSE_Pad-se_pinuPad/uATPGSE_Pad/C–verbose,将所有时钟门控单元的scan_enable信号与测试用SE信号连接起来。如果没有ATPG,可以不用该句命令。5. propagate_constraints-gate_clock,将门控单元信息传递给整个电路。6. r
8、eport_clock_gating可以查看时钟门控单元插入的情况,以便做电路修改,或插入时钟门控单元设置的修改。完成这些设置后,只需要和平常一样做系统综合即可。而在DC2008.09版本以后,第2~5的步骤都可以省略,在利用compile_ultra进行优化时,第2、3步骤都会被自动执行,第4、5步骤会在insert_dft时被执行。形式验证工具Formality,在进
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